化学吸收法捕集二氧化碳的研究进展

近年来,由于化石燃料的大量燃烧,二氧化碳的排放量剧增,进而引起了一系列生态问题。因此,研究更有效的二氧化碳捕集技术及更高效的二氧化碳吸收剂迫在眉睫。众多学者综合考虑燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧3种二氧化碳捕集工艺技术后,发现燃烧后捕集工艺技术最适合工业应用。化学吸收法作为燃烧后捕集二氧化碳的一项高效节能、相对成熟的新兴技术,是目前电厂应用最广和最具潜力的捕集技术之一。首先介绍了碳捕集技术的研究现状,然后着重阐述了目前碳捕集技术中备受关注的4种化学吸收剂,即有机胺溶液吸收剂、离子液体吸收剂、氨水溶液吸收剂和新型相变吸收剂,并分别探讨了这4种吸收剂的捕集原理、研究现状、各自的优缺点及改进方向。

基于查表插值算法的高压CO_(2)管道泄漏瞬态特性数值模拟

为准确高效地模拟高压CO_(2)管道泄漏的瞬态特性,基于Fluent仿真平台,利用用户自定义真实气体模型(User Defined Real Gas Model,UDRGM)和用户自定义函数(User Defined Function,UDF),结合查表法和双线性插值法建立CO_(2)的真实气体模型,并将压力驱动的Lee模型通过用户自定义函数嵌入Fluent求解器来模拟CO_(2)的非平衡相变过程,建立了高压CO_(2)管道泄漏的非平衡相变数值模型。通过与Botros等的试验数据进行对比分析,验证了该模型的准确性。在此基础上,对比了上述模拟方法与编译S-W(Span-Wagner)状态方程模拟方法的精度和效率,最后使用本模型研究了不同初始压力对高压CO_(2)管道泄漏瞬态特性的影响。结果表明:两种模拟方法精度接近,最大相差为7.37%,但提出的模拟方法效率明显优于编译S-W状态方程的模拟方法,计算时间相较缩短约86.9%;初始压力为11.27 MPa的最大总出口质量流量比4.36 MPa的大7.24 kg/s,而对应的气相CO_(2)出口质量流量却低0.14 kg/s;初始压力为11.27 MPa和4.36 MPa对应的近场最大射流流速分别为155.12 m/s和175.50 m/s;管内初始压力越低,泄漏后到达亚稳态时过热度越大,管内及泄漏口附近相变程度越剧烈,气相出口质量流量越大,近场射流峰值速度越大。这项研究可为工业规模管道泄漏的模拟和管道泄漏的三维模拟提供更高效的方式。

岩质路堑液态CO_(2)相变爆破的爆孔深度试验

为研究爆孔深度对液态CO_(2)相变爆破技术(liquid carbon dioxide phase transition blasting technology,简称LCPTBT)在岩质路堑开挖工程应用中的影响,基于酒-额铁路路堑开挖工程,进行了多组现场工程试验,对爆破实效和振动监测信号进行分析。研究表明:当爆孔深度为4 m时能有效利用爆破能量,从爆孔底部沿整个台阶横断面产生贯通裂缝,且临空面部位裂缝发展最充分;在台阶高度大于5 m且有自由面时,型号为Φ89单管满充致裂器在该地层岩性条件下最大爆孔深度可达约5 m;各工况中质点在z方向的振动速度分量均大于y方向和x方向;由于自由面的存在,应力波在传播过程中不断反射叠加,使得爆破振动效果加强;随着测点距离的增加,测点处振动持时、质点峰值速度和峰值加速度均逐渐降低,在近距离内先急剧减小,然后随着距离增大而减小的趋势逐渐降低,振动能量分布频段逐渐变窄。

二氧化碳爆破采掘装备及技术研究

针对试验矿井煤巷炮掘速度慢、安全性低、爆破产生粉尘和有害气体较多的问题,提出了适合试验矿井煤巷掘进的二氧化碳爆破技术,研制了二氧化碳爆破开采器,并获得国家专利。该装备的工作原理是利用液态二氧化碳瞬间发生相变产生高压,作用于周围煤（岩）体,从而实现破煤（岩）。经井下1 600 m长煤巷的掘进实践表明：二氧化碳爆破相比于传统炸药爆破,安全性高,爆破效果好,煤炭成块率可提高1倍以上,达到65%-78%;抛煤距离缩短约40%,为0-3 m;粉尘及炮烟量减少约50%,二氧化碳体积分数一般为0.02%-0.09%,一氧化碳体积分数一般为（3-16）×10-6;该技术能够为井下创造良好的掘进工作环境,有利于作业人员的身体健康,实现了安全高效掘进。

液态CO_2相变破岩桩井开挖技术

为研究液态CO_2相变破岩技术在硬岩桩井开挖中的可应用性,分析CO_2破岩原理,得出泄爆压力与释放能量、TNT当量的关系,进行CO_2破岩成井现场试验和振动监测。研究结果表明:适量的空孔可创造临空面,明显降低质点振动速度,增强破岩效果,但空孔过多会增加泄爆能量的耗散通道,弱化破岩效果或导致破岩失败;CO_2破岩振动波的持续时间短、衰减快、高频成分少,各分速度的主频带一般在100 Hz以下,主振频率集中在20 Hz左右;在半无限岩体中,CO_2破岩区域可分为压碎区和破裂区,压碎区直径为管径的3~4倍,破裂区直径为管径的10~15倍;CO_2破岩技术克服了传统炸药爆破的缺点,是一种高效的台阶破岩方法,还可有效应用于硬岩桩井开挖中,为类似工程岩体开挖提供了新思路。

液态CO_2相变破岩振动信号能量分布特征

针对液态CO_2相变破岩,设计振动信号监测试验,基于小波包变换分析振动信号能量分布规律。结果表明:液态CO2相变破岩振动信号主振频带与振动信号方向及传播距离相关性较小,基本位于0~4 Hz子频带,但主振频率对应能量分布百分比随着传播距离增加逐渐降低。随传播距离的增加,垂向振动信号高频段能量百分比逐渐增加,低频段能量百分比逐渐降低,且在中高频附近出现与主振频带对应能量百分比逐渐接近的"子中心"频带。同一测点不同方向频率能量分布百分比在0~100 Hz频带存在一定差异,但在其他频域内基本一致。

二氧化碳相变致裂软岩实验研究

为了研究二氧化碳相变产生的高压气体动态破岩的机理,通过建立设有分布式光纤传感器的物理模型结合数值模型的方法,研究了二氧化碳相变致裂煤体的内部效应,得到了二氧化碳相变高压气体动压破岩的机理及岩体裂隙、强度和二氧化碳相变气体压力等参数之间的关系。研究表明:气体准静压破坏煤体主要集中在煤体强度薄弱的区域,且气体压力要高于煤体破坏的最低极限值;原生裂隙会改变二氧化碳相变致裂煤体的空间范围和煤体的破坏程度,原生裂隙与炮孔之间的夹角越小、距离越近,越明显。

液态二氧化碳相变破岩振动能量分布研究

采用Hilbert-Huang变换方法对地铁基坑开挖工程中液态二氧化碳相变破岩时引起的振动信号的频谱特征、能量分布进行了研究。结果表明,液态二氧化碳相变破岩时引起质点振动的频率主要分布于0~100 Hz范围内,能量主要集中于0~20 Hz,且随距离增加能量逐渐向高频带集中分布;一定距离条件下能量分布主频带内的垂向分量能量比例最高,水平径向次之,水平切向最小,平均值占信号总能量的70%以上,且随震源距增加逐步降低并趋于一致;质点瞬时能量起伏与其振动幅值对应,主要作用于0~0.5 s的时间段内。

二氧化碳液-气相变膨胀破岩技术及应用

通过阐述CO2液-气相变膨胀破岩技术的历史沿革、技术原理和破岩装置,结合露天台阶破岩、块体破岩、孤石破岩、隧道掘进工程应用案例,说明了CO2液-气相变膨胀破岩技术是一种污染小、危害小的新型破岩方法,可以解决特殊环境下不能使用炸药爆破破岩的难题。作为一种新型破岩方法,其相变机理、孔内应力场变化规律、与炸药破岩效果对比、破岩装置结构及材料优化等还需要深入研究,在全国范围内形成规范管理的模式还有待进一步推进。

松散煤体内液N_(2)/CO_(2)注入过程的降温特性对比实验

为对比液态CO_(2)/N_(2)注入松散煤体后的降温特征,自主设计实验平台开展了松散煤体内压注液态CO_(2)/N_(2)实验,得到了注入期间及停注后的煤温变化规律,利用注入期间的冷却区域扩大率和注入后的传热率分析对比了两者对煤体的冷却能力。结果表明:压注时,液态CO_(2)/N_(2)的冷却效果均随着注入时间的增加而增强,随着与压注口的距离增加而减弱。压注液态N_(2)形成的冷却区域随着时间沿渗流路径缓慢扩大,而液态CO_(2)则在压注口瞬间相变为气态并形成较为稳定的冷却区域。说明液态N_(2)的冷却作用主要取决于自身极低温度导致的剧烈温差,而液态CO_(2)则由于相变潜热形成低温区。停注后,持续的降温效果主要取决于初始温度梯度,总体来讲,相同压注量下,液态CO_(2)对煤体的持续冷却能力优于液态N_(2)。

基于LCA方法的二氧化碳爆破环境影响分析

为了考察二氧化碳爆破的环保性能,采用生命周期评价(LCA)方法分析了从原材料和能源生产、致裂器加工组装、现场爆破和最终废弃物处置全阶段所造成的环境影响,定量地得出了生命周期影响评价结果。结果表明,二氧化碳爆破生命周期对海洋生态毒性方面的环境影响程度最高,其次是淡水生态毒性、淡水富营养化、金属资源枯竭以及人类毒性。在二氧化碳爆破整个生命周期中,主要污染环节是包括钢铁生产过程和电能生产过程在内的原材料和能源生产阶段,对环境影响的贡献占比超过50%。通过与传统爆破方法生命周期评价对比发现,二氧化碳爆破并不比传统爆破方法更清洁环保,反而对水体造成了巨量污染,需要引起重视并进一步改进。

二阶昂尼斯方程及其描述的二氧化碳气液相变

通过泰勒级数展开,把范德瓦耳斯方程写成昂尼斯方程的形式,只保留前两个高阶项得到了一个二阶昂尼斯方程。以二氧化碳为例,计算、讨论、比较了由范德瓦耳斯方程、二阶昂尼斯方程和实验测量得到的气液相变过程。两个物态方程都能定性地描述气液相变现象,但是范德瓦耳斯方程并不能很好地定量描述实际气体的气液相变过程,而二阶昂尼斯方程却能较好地定量描述。经过分析讨论,分子体积、分子之间的相互作用都应该看作是随物理过程变化的变量,而非常量;在相变参数区间,随着相变温度降低,分子体积将减小,而分子之间的吸引作用将增大。

二氧化碳相变破岩理论与装备技术

二氧化碳相变破岩技术是近年来发展迅速的一项新型破岩技术。从二氧化碳相变状态演化过程、破岩荷载特征、诱发振动效应等方面综述了近年来二氧化碳相变破岩理论研究方面的进展,从充装设备、激发管、致裂管等方面介绍了二氧化碳相变破岩技术配套装备方面的研究现状,以复杂环境下岩土开挖施工、煤炭瓦斯抽采、水下爆破等不同应用场景为例介绍了该技术的推广应用情况。随着二氧化碳相变破岩理论与装备技术的不断突破,该技术将成为炸药类爆破方式的有益补充。

利用CO_2作为新型开关调控液晶和胶束之间的可逆转变

本研究发现利用CO2可作为一种新型"开关"调控液晶和胶束之间的转变。这种新型的调控方法具有很多优点,如通过简单的加压和降压即可实现液晶和胶束之间的可逆转变以及过程清洁、CO2可以方便地去除并可循环利用等。本研究还探索了这种新型调控方法的规律、机理及其在材料制备中的应用,发现通过控制压力,可以很方便地改变模板的结构,从而实现产物的形貌可控。